水轮机课程设计说明书

四川大学课程设计任务书学院专业班课程名称题目任务起止日期：年月日～年月日学生姓名学号指导教师年月日教研室主任年月日审查院长年月日批准目录第一章水轮机的选型设计 (1)第二章水轮机运转特性曲线的绘制 (11)第三章蜗壳设计 (14)第四章尾水管设计 (17)第四章心得总结 (19)参考文献 (20)第一章水轮机的选型设计1.1 水轮机型号选定一、水轮机型式的选择根据原始资料，电站装机容量7MW，平均水头为33m，最大水头为39m，最小水头为28m。

水轮机的额定水头为Hr=0.9Hw=31.35M根据资料，适合此水头范围的水轮机类型有轴流式和混流式，又根据水轮机系列型普表中查出合适的机型有HL240型水轮机和ZZ440型水轮机两种。

根据装机容量拟选两种型号的水轮机1,2台机组。

二、初步拟订型号机组台数并确定单机容量根据以上分析初步拟定见表1-1表1-1 初步拟定表1.2 原型水轮机各方案主要参数的选择按电站建成后,在电力系统的作用和供电方式,初步拟定四种方案后进行比较。

一、ZZ440型水轮机1台机组（方案一）1、计算转轮直径装机容量7000千瓦，水轮机的额定功率为7000P 7368()0.95grg p kw ===η上式中：g p ——机组单机容量，kwg η——同步发电机的效率，一般取95%-97%，此处取95%。

根据水轮机转轮型普推荐的最大单位流量110Q =1.653/m s ，为使单位流量有一定的 余量，取3%的储备，则额定工况的单位流量11r Q =1.65⨯0.97=1.63/m s ,110115/min n r =，对应的模型效率M η=0.83，暂取效率修正值Δη=0.03，η=0.83+0.03=0.86。

则设计工况原型水轮机效率为86%。

m D HQ P rrr 8.186.035.316.181.9736881.95.15.1111=⨯⨯⨯==η根据我国规定的转轮直径系列（见《水轮机》P9），选择转轮公称直径1D =3.3m 。

2、计算原型水轮机的效率水轮机最高效率01(1)(0.3P M η=--η+1(10.88)(0.30.7=--+⨯0.913=水轮机在额定工况（20oϕ=+）是的最高效率1(10.825)(0.30.70.872P ϕη=--+=3、计算同步转速根据水轮机转轮型普推荐的最优单位转速110n =115r/min ，单位转速修正值为1101101101101)1)0.0210.03M M M M n n n n n ∇===< 符合要求，所以转速不用修正。

所以1367.18/min 1.8n r D ===根据水轮机设计，选取标准同步转速n=375r/min 。

4、计算水轮机的运行范围水轮机设计流量23111 1.24227.7/r r Q Q D m s ==⨯=当n=375r/min 时，最大水头、最小水头和平均水头对应的单位转速11min68.6/min n r ===1176.5/minrn r ===11max 80.9/min n r ===5、计算水轮机实际额定流量水轮机在额定工况（20oϕ=+）的最高效率时单位流量为 3112 1.52 1.217368 1.51/9.819.81 1.831.350.872r r r p Q m s D H ===η⨯⨯⨯所以水轮机的实际额定流量为23111 1.51 1.827.39/r r Q Q D m s ==⨯=6、 计算最大允许吸出高度查得在额定工况下，模型水轮机的空化系数M σ=0.44.根据该电站额定水头取∇σ=0.04 又根据数据由额定流量确定高程为∇=413.3m10( 5.53900s r H m ∇=--σ+∇σ)H =-7、实际的水轮机额定水头因不同的D 1、ｎ与水能预算Hr 有差异31.4m .872024.18.11.8973681.893/223/21121rr =⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ηr Q D P H8、计算轴向水推力根据ZZ440的转轮轴向水推力系数表，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值，故取t K =0.9。

所以水轮机转轮轴向水推力为：222251max 9810()98100.9(1.80.9)39 6.141044t h F K D d H Nππ=-=⨯⨯⨯-⨯=⨯二、HL240型水轮机1台机组(方案二)1.计算转轮直径水轮机的额定功率为7000P 7368()0.95grg p kw ===η查水轮机的转轮综合特性曲线可知，与出力限制线交点的单位流量为设计工况点单位流量，11Q =1.24 3m /s ，对应模型水轮机的效率为98%，暂取3%的修正值，这原型水轮机的效率为92%。

1 1.94()D m === 按我国规定的转轮直径系列（水力机械设计及工程设计，表1.3）,计算值处于1.8m-2.0m ， 取直径D1=2.0m 。

2.计算原型水轮机的效率max01(11(10.94M η=--η=--= 000.9470.920.02P M ∇η=η-η=-=额定工况原型水轮机的效率为M η=η+∇η=0.89+0.02=0.913.计算同步转速根据水轮机转轮型普推荐的最优单位转速110n =72r/min ，单位转速修正值为1101101101101)1)0.0110.03M M M M n n n n n ∇=-=-=<单位不需要修正。

水轮机转速为1206.8/min 2n r D ===根据水轮机设计选取同步转速214.3r/min 。

4.计算水轮机的运行范围11min 68.6/min n r ===11max 80.9/min n r ===1176.5/min r n r ===5.计算水轮机实际额定流量223111 1.24227.7/r r Q Q D m s ==⨯=6.计算最大允许吸出高度在额定工况下，模型水轮机的空化系数M σ=0.2。

查水轮机原理图3-13可得空化系数修正值∇σ=0.04。

又根据数据由额定流量确定高程为∇=431.3m10( 1.996900s r H m ∇=--σ+∇σ)H =7.计算飞逸转速由HL240模型水轮机飞逸特性曲线查得，在最大导叶开度下单位飞逸转速11R n =160r/min 。

故水轮机的飞逸转速为111160499.6/min 2R Rn n r ==⨯=8、实际的水轮机额定水头因不同的D 1、ｎ与水能预算Hr 有差异2/32/321117368()()31.629.819.814 1.240.91r r r p H m D Q ===η⨯⨯⨯9.计算轴向水推力根据HL240的转轮轴向水推力系数表，转轮直径较小、止漏环间隙较大时取大值，故取K=3.2。

所以水轮机转轮轴向水推力为2251max 981098100.32239 3.81044t F K D H N ππ==⨯⨯⨯⨯=⨯三、各方案主要参数同理，方案三和方案四的数据也可通过同样的方法和过程查资料计算得出，四种方案所得数据如表1-2所示：表1-2 四种方案数据表格1.3 确定机组方案根据上面列举出来的四种方案数据分析，两种机型方案的水轮机转轮直径相近，但HL240型水轮机方案的工作范围包含了较多的高效率区域，运行效率较高，气蚀系数较小，安装高程较高，有利于提高年发电量和减小电站厂房的开挖工程量；而ZZ440型水轮机方案的机组转速较高，有利于减少发电机尺寸，降低发电机造价，但这种机型的水轮机及其调节系统的造价较高。

所以根据分析，在制造供货方面没有问题时，初步选用HL240型方案为有利。

而HL240中1台机组虽然效率比2太机组略高造价低，但是两台机组运行时更方便，也有利于水电站的运行。

因此，最终应选的最优方案为2 ⨯ HL240。

第二章水轮机运转特性曲线的绘制2.1 等效率曲线的计算现取水电站4个水头，列表计算结果如表2-1所示，绘制的等效率线详见图纸。

表2-1 HL240型水轮机等效率曲线计算表2.2 功率限制线的计算水轮机的功率限制线一般由模型综合特性曲线的5%功率限制线换算而得到的。

需要计算的值已在等效率曲线计算表2-1中列出。

2.3 等吸出高度线的计算（1）求出各水头下的11n 值，并在相应的模型综合特性曲，并由此计算出η、P ，填入表2-2中线上查出11n 水平线与各等气蚀系数σ线的所有交点坐标，读出M η、11Q 、σ的值（2）利用公式H K EH M s σσ--=90010计算出相应于上述各σ的s H 值，计算结果如表2-2所示，绘制的等吸出高度线详见设计图纸。

表2-2 HL220型水轮机等吸出高曲线计算表2.4 水轮机运转特性曲线的绘制（见附图）第三章 蜗壳设计3.1 蜗壳型式、断面形状和包角的确定由于本站应用水头为小于40米，故采用混凝土蜗壳。

蜗壳断面为平顶“Γ”形断面。

选择平顶“Γ”行断面，当0n =时，1015oo γ=选取12o γ=，选择 1.6b a =；角度δ在 30~20内选取，一般取 30。

混凝土蜗壳的包角一般在270o o135-。

取o 0=270ϕ。

3.2 座环尺寸的确定由《水轮机设计手册》标准座环尺寸系列查取：座环内直径D b =2.4；座环外直径D a =3m 。

3.3 蜗壳参数计算根据《水电机原理与运行》图6-9，当水轮机额定水头r H =31.35时，蜗壳进口断面的平均流速s m H k v r /7.40==-蜗壳包角o 0=270ϕ，且根据表3-1设计水轮机具体数据，得进口断面流量为)/(98.93602703.13360300s m Q Q r=⨯==ϕ表3-1如下：表3-1 水轮机具体数据进口断面面积 200012.27.498.9m v Q F ===-3.4 根据选择的蜗壳断面形状，确定具体尺寸由已知：0200011 1.6() 2.1220.2561.4a b b a b b m m tg F ab b r r b D D γ⎧=⎪⎪=+⎪⎪⎪=-+-=⎨⎪⎪=⎪⎪⎪=⎩⇒0.841.340.98a b m =⎧⎪=⎨⎪=⎩顶角的变化规律采用直线变化规律，则：0001==n a K ==002m aK 0.85 进口断面的最大半径1R ：1R =a r a +=1.2+0.84=2.04m在1R 至a r 之间设不同的i R ，求出i a 、i b 、i m 、i F 、i ϕ，具体数据和计算数据如表3-2和3-3所示，并根据表格绘制辅助曲线。

根据需要，选定若干个i ϕ（每隔045），并查出相应的i R 及其断面尺寸，如表3-4所示。

便可绘制蜗壳平面单线图。

进口宽度取m D R B 44.24.104.210=+=+=。